Table Of Content(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:2)(cid:4)(cid:5) (cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:9)(cid:2)(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12) (cid:2)(cid:12)(cid:13) (cid:14)(cid:15)(cid:7)(cid:3)(cid:16)(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12)
(cid:17)(cid:5)(cid:8)(cid:7)(cid:12) (cid:18)(cid:19)(cid:11)(cid:12)(cid:8)(cid:2)(cid:13)
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:2)(cid:4)(cid:5) (cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:9)(cid:2)(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12)
(cid:2)(cid:12)(cid:13) (cid:14)(cid:15)(cid:7)(cid:3)(cid:16)(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12)
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:9) (cid:5)(cid:10)(cid:11)(cid:6)(cid:6)(cid:12)(cid:13)(cid:5)(cid:11)(cid:14)(cid:5)(cid:12)(cid:10)(cid:15)(cid:5)(cid:14)(cid:7)
(cid:1)(cid:1)(cid:16)(cid:16)(cid:11)(cid:11)(cid:17)(cid:17)(cid:5)(cid:5)(cid:6)(cid:6) (cid:1)(cid:1)(cid:2)(cid:2)(cid:3)(cid:3)(cid:4)(cid:4)(cid:5)(cid:5)(cid:6)(cid:6)(cid:7)(cid:7)(cid:5)(cid:5)(cid:10)(cid:10)(cid:18)(cid:18)
(cid:19)(cid:7)(cid:5)(cid:13)(cid:7)(cid:8)(cid:6)(cid:14)(cid:8)(cid:16)(cid:20) (cid:21)(cid:22)
(cid:17)(cid:5)(cid:8)(cid:7)(cid:12) (cid:18)(cid:19)(cid:11)(cid:12)(cid:8)(cid:2)(cid:13)
(cid:20)(cid:8)(cid:7)(cid:21)(cid:22)(cid:23)(cid:23)(cid:7)(cid:8) (cid:7)(cid:21) (cid:24)(cid:23)(cid:10)(cid:8)(cid:7)(cid:12)(cid:7)(cid:9)(cid:5)
(cid:25)(cid:12)(cid:11)(cid:15)(cid:22)(cid:8)(cid:23)(cid:11)(cid:10)(cid:5) (cid:7)(cid:21) (cid:26)(cid:2)(cid:3)(cid:11)(cid:21)(cid:7)(cid:8)(cid:12)(cid:11)(cid:2)
(cid:27)(cid:22)(cid:8)(cid:28)(cid:22)(cid:3)(cid:22)(cid:5)
(cid:26)(cid:2)(cid:3)(cid:11)(cid:21)(cid:7)(cid:8)(cid:12)(cid:11)(cid:2)
(cid:25)(cid:18)(cid:24)
(cid:20)(cid:7)(cid:8)(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12)(cid:23) (cid:7)(cid:21) (cid:10)(cid:29)(cid:22) (cid:17)(cid:16)(cid:30)(cid:30)(cid:3)(cid:22) (cid:25)(cid:3)(cid:10)(cid:8)(cid:2)(cid:31) (cid:22)(cid:22)(cid:19) (cid:6)(cid:11)(cid:22)(cid:3)(cid:13) (cid:13)(cid:11)(cid:23)(cid:19)(cid:3)(cid:2)(cid:5)(cid:22)(cid:13) (cid:30)(cid:5) (cid:17)! "(cid:2)(cid:12) (cid:2)(cid:12)(cid:13) #! $(cid:11)(cid:12)(cid:13)(cid:29)(cid:7)(cid:8)(cid:23)(cid:10)! (cid:24)(cid:3)(cid:9)(cid:7)(cid:23)(cid:10) (cid:22)(cid:15)(cid:22)(cid:8)(cid:5)
(cid:23)(cid:9)(cid:2)(cid:3)(cid:3)(cid:11)(cid:9)(cid:2)%(cid:22)(cid:11)(cid:23)(cid:2)(cid:13)(cid:11)(cid:23)(cid:10)(cid:2)(cid:12)(cid:10)(cid:23)(cid:10)(cid:22)(cid:3)(cid:3)(cid:2)(cid:8)(cid:23)(cid:5)(cid:23)(cid:10)(cid:22)(cid:9)!(cid:18)(cid:7)(cid:9)(cid:22)(cid:2)(cid:19)(cid:19)(cid:2)(cid:8)(cid:22)(cid:12)(cid:10)%(cid:8)(cid:7)(cid:16)(cid:19)(cid:23)(cid:7)(cid:21)%(cid:2)(cid:3)(cid:2)(cid:4)(cid:11)(cid:22)(cid:23)(cid:2)(cid:8)(cid:22)(cid:11)(cid:3)(cid:3)(cid:16)(cid:23)(cid:10)(cid:8)(cid:2)(cid:10)(cid:22)(cid:13)(cid:11)(cid:12)(cid:10)(cid:29)(cid:22)(cid:10)&(cid:7)
’’(cid:30)(cid:3)(cid:7)&(cid:31)(cid:16)(cid:19)(cid:23)(( (cid:7)(cid:12) (cid:10)(cid:29)(cid:22)(cid:21)(cid:8)(cid:7)(cid:12)(cid:10) )(cid:7)(cid:15)(cid:22)(cid:8)!
(cid:18)(cid:20)#*+(cid:1)(cid:14)#,(cid:20)#(cid:24)-*(cid:18) (cid:27)../(cid:18) *+ (cid:24)(cid:18)0#.(cid:20)(cid:17)"(cid:18)*(cid:26)(cid:18) (cid:24)+ (cid:24)(cid:18)0#.+.1"
(cid:18)(cid:25)(cid:27)2(cid:14)(cid:26)0(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:9)(cid:2)(cid:4)(cid:10)(cid:6)(cid:7)32(cid:7)(cid:29)(cid:12)1(cid:2)(cid:23)(cid:7)(cid:12)(cid:27)!(cid:18))!41!(cid:18))!4(cid:20)(cid:29)! !
*(cid:18)(cid:27)+ 5(cid:31)678(cid:31)967:;(cid:31)< (cid:18)(cid:19)(cid:8)(cid:11)(cid:12)%(cid:22)(cid:8)(cid:31)=(cid:22)(cid:8)(cid:3)(cid:2)% (cid:27)(cid:22)(cid:8)(cid:3)(cid:11)(cid:12) (cid:17)(cid:22)(cid:11)(cid:13)(cid:22)(cid:3)(cid:30)(cid:22)(cid:8)% +(cid:22)& "(cid:7)(cid:8)(cid:28)
(cid:18)(cid:19)(cid:8)(cid:11)(cid:12)%(cid:22)(cid:8) (cid:11)(cid:23) (cid:19)(cid:2)(cid:8)(cid:10) (cid:7)(cid:21) (cid:18)(cid:19)(cid:8)(cid:11)(cid:12)%(cid:22)(cid:8)(cid:31)(cid:18))(cid:11)(cid:22)(cid:12))(cid:22)>(cid:27)(cid:16)(cid:23)(cid:11)(cid:12)(cid:22)(cid:23)(cid:23) 1(cid:22)(cid:13)(cid:11)(cid:2) ?(cid:23)(cid:19)(cid:8)(cid:11)(cid:12)%(cid:22)(cid:8)(cid:7)(cid:12)(cid:3)(cid:11)(cid:12)(cid:22)!)(cid:7)(cid:9)@
(cid:27)(cid:11)(cid:30)(cid:3)(cid:11)(cid:7)%(cid:8)(cid:2)(cid:19)(cid:29)(cid:11)) (cid:11)(cid:12)(cid:21)(cid:7)(cid:8)(cid:9)(cid:2)(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12) (cid:19)(cid:16)(cid:30)(cid:3)(cid:11)(cid:23)(cid:29)(cid:22)(cid:13) (cid:30)(cid:5) (cid:11)(cid:22) (cid:22)(cid:16)(cid:10)(cid:23))(cid:29)(cid:22) (cid:27)(cid:11)(cid:30)(cid:3)(cid:11)(cid:7)(cid:10)(cid:29)(cid:22)(cid:28)
(cid:11)(cid:22) (cid:22)(cid:16)(cid:10)(cid:23))(cid:29)(cid:22) (cid:27)(cid:11)(cid:30)(cid:3)(cid:11)(cid:7)(cid:10)(cid:29)(cid:22)(cid:28) (cid:3)(cid:11)(cid:23)(cid:10)(cid:23) (cid:10)(cid:29)(cid:11)(cid:23) (cid:19)(cid:16)(cid:30)(cid:3)(cid:11))(cid:2)(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12) (cid:11)(cid:12) (cid:10)(cid:29)(cid:22) (cid:22)(cid:16)(cid:10)(cid:23))(cid:29)(cid:22) +(cid:2)(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12)(cid:2)(cid:3)(cid:30)(cid:11)(cid:30)(cid:3)(cid:11)(cid:7)%(cid:8)(cid:2)A(cid:22)B
(cid:13)(cid:22)(cid:10)(cid:2)(cid:11)(cid:3)(cid:22)(cid:13) (cid:30)(cid:11)(cid:30)(cid:3)(cid:11)(cid:7)%(cid:8)(cid:2)(cid:19)(cid:29)(cid:11)) (cid:13)(cid:2)(cid:10)(cid:2) (cid:2)(cid:8)(cid:22) (cid:2)(cid:15)(cid:2)(cid:11)(cid:3)(cid:2)(cid:30)(cid:3)(cid:22) (cid:21)(cid:8)(cid:7)(cid:9) (cid:10)(cid:29)(cid:22) *(cid:12)(cid:10)(cid:22)(cid:8)(cid:12)(cid:22)(cid:10) (cid:2)(cid:10) (cid:29)(cid:10)(cid:10)(cid:19)3CC(cid:13)(cid:12)(cid:30)!(cid:13)(cid:13)(cid:30)!(cid:13)(cid:22)
D(cid:11)(cid:30)(cid:8)(cid:2)(cid:8)(cid:5) (cid:7)(cid:21) (cid:26)(cid:7)(cid:12)%(cid:8)(cid:22)(cid:23)(cid:23) (cid:26)(cid:7)(cid:12)(cid:10)(cid:8)(cid:7)(cid:3) +(cid:16)(cid:9)(cid:30)(cid:22)(cid:8)3 9886:9765;
(cid:24)(cid:19)(cid:2)(cid:8)(cid:10)(cid:21)(cid:8)(cid:7)(cid:9) (cid:2)(cid:12)(cid:5) (cid:21)(cid:2)(cid:11)(cid:8) (cid:13)(cid:22)(cid:2)(cid:3)(cid:11)(cid:12)% (cid:21)(cid:7)(cid:8) (cid:10)(cid:29)(cid:22) (cid:19)(cid:16)(cid:8)(cid:19)(cid:7)(cid:23)(cid:22)(cid:23) (cid:7)(cid:21)(cid:8)(cid:22)(cid:23)(cid:22)(cid:2)(cid:8))(cid:29) (cid:7)(cid:8)(cid:19)(cid:8)(cid:11)(cid:15)(cid:2)(cid:10)(cid:22) (cid:23)(cid:10)(cid:16)(cid:13)(cid:5)4 (cid:7)(cid:8) )(cid:8)(cid:11)(cid:10)(cid:11))(cid:11)(cid:23)(cid:9)
(cid:7)(cid:8) (cid:8)(cid:22)(cid:15)(cid:11)(cid:22)&4 (cid:2)(cid:23) (cid:19)(cid:22)(cid:8)(cid:9)(cid:11)(cid:10)(cid:10)(cid:22)(cid:13) (cid:16)(cid:12)(cid:13)(cid:22)(cid:8) (cid:10)(cid:29)(cid:22) (cid:26)(cid:7)(cid:19)(cid:5)(cid:8)(cid:11)%(cid:29)(cid:10)4 (cid:22)(cid:23)(cid:11)%(cid:12)(cid:23) (cid:2)(cid:12)(cid:13) (cid:20)(cid:2)(cid:10)(cid:22)(cid:12)(cid:10)(cid:23) (cid:24))(cid:10) E:;;4 (cid:10)(cid:29)(cid:11)(cid:23)
(cid:19)(cid:16)(cid:30)(cid:3)(cid:11))(cid:2)(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12) (cid:9)(cid:2)(cid:5) (cid:7)(cid:12)(cid:3)(cid:5) (cid:30)(cid:22) (cid:8)(cid:22)(cid:19)(cid:8)(cid:7)(cid:13)(cid:16))(cid:22)(cid:13)4 (cid:23)(cid:10)(cid:7)(cid:8)(cid:22)(cid:13) (cid:7)(cid:8) (cid:10)(cid:8)(cid:2)(cid:12)(cid:23)(cid:9)(cid:11)(cid:10)(cid:10)(cid:22)(cid:13)4 (cid:11)(cid:12) (cid:2)(cid:12)(cid:5) (cid:21)(cid:7)(cid:8)(cid:9) (cid:7)(cid:8) (cid:30)(cid:5) (cid:2)(cid:12)(cid:5)
(cid:9)(cid:22)(cid:2)(cid:12)(cid:23)4 &(cid:11)(cid:10)(cid:29) (cid:10)(cid:29)(cid:22) (cid:19)(cid:8)(cid:11)(cid:7)(cid:8) (cid:19)(cid:22)(cid:8)(cid:9)(cid:11)(cid:23)(cid:23)(cid:11)(cid:7)(cid:12) (cid:11)(cid:12) &(cid:8)(cid:11)(cid:10)(cid:11)(cid:12)% (cid:7)(cid:21) (cid:10)(cid:29)(cid:22) (cid:19)(cid:16)(cid:30)(cid:3)(cid:11)(cid:23)(cid:29)(cid:22)(cid:8)(cid:23)4 (cid:7)(cid:8) (cid:11)(cid:12) (cid:10)(cid:29)(cid:22) )(cid:2)(cid:23)(cid:22) (cid:7)(cid:21)
(cid:8)(cid:22)(cid:19)(cid:8)(cid:7)%(cid:8)(cid:2)(cid:19)(cid:29)(cid:11)) (cid:8)(cid:22)(cid:19)(cid:8)(cid:7)(cid:13)(cid:16))(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12) (cid:11)(cid:12) (cid:2)))(cid:7)(cid:8)(cid:13)(cid:2)(cid:12))(cid:22) &(cid:11)(cid:10)(cid:29) (cid:10)(cid:29)(cid:22) (cid:10)(cid:22)(cid:8)(cid:9)(cid:23) (cid:7)(cid:21) (cid:3)(cid:11))(cid:22)(cid:12))(cid:22)(cid:23) (cid:11)(cid:23)(cid:23)(cid:16)(cid:22)(cid:13) (cid:30)(cid:5) (cid:10)(cid:29)(cid:22)
(cid:26)(cid:7)(cid:19)(cid:5)(cid:8)(cid:11)%(cid:29)(cid:10) D(cid:11))(cid:22)(cid:12)(cid:23)(cid:11)(cid:12)% (cid:24)%(cid:22)(cid:12))(cid:5)! (cid:14)(cid:12)F(cid:16)(cid:11)(cid:8)(cid:11)(cid:22)(cid:23) )(cid:7)(cid:12))(cid:22)(cid:8)(cid:12)(cid:11)(cid:12)% (cid:8)(cid:22)(cid:19)(cid:8)(cid:7)(cid:13)(cid:16))(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12) (cid:7)(cid:16)(cid:10)(cid:23)(cid:11)(cid:13)(cid:22) (cid:10)(cid:29)(cid:7)(cid:23)(cid:22) (cid:10)(cid:22)(cid:8)(cid:9)(cid:23)
(cid:23)(cid:29)(cid:7)(cid:16)(cid:3)(cid:13) (cid:30)(cid:22) (cid:23)(cid:22)(cid:12)(cid:10) (cid:10)(cid:7) (cid:10)(cid:29)(cid:22) (cid:19)(cid:16)(cid:30)(cid:3)(cid:11)(cid:23)(cid:29)(cid:22)(cid:8)(cid:23)!
(cid:1) (cid:20)(cid:8)(cid:2)(cid:4)(cid:11)(cid:23) (cid:20)(cid:16)(cid:30)(cid:3)(cid:11)(cid:23)(cid:29)(cid:11)(cid:12)% D(cid:10)(cid:13)4 (cid:26)(cid:29)(cid:11))(cid:29)(cid:22)(cid:23)(cid:10)(cid:22)(cid:8)4 (cid:25)/4 9886
(cid:20)(cid:8)(cid:11)(cid:12)(cid:10)(cid:22)(cid:13) (cid:11)(cid:12) (cid:1)(cid:22)(cid:8)(cid:9)(cid:2)(cid:12)(cid:5)
0(cid:29)(cid:22) (cid:16)(cid:23)(cid:22) (cid:7)(cid:21) %(cid:22)(cid:12)(cid:22)(cid:8)(cid:2)(cid:3) (cid:13)(cid:22)(cid:23))(cid:8)(cid:11)(cid:19)(cid:10)(cid:11)(cid:15)(cid:22) (cid:12)(cid:2)(cid:9)(cid:22)(cid:23)4 (cid:8)(cid:22)%(cid:11)(cid:23)(cid:10)(cid:22)(cid:8)(cid:22)(cid:13) (cid:12)(cid:2)(cid:9)(cid:22)(cid:23)4 (cid:10)(cid:8)(cid:2)(cid:13)(cid:22)(cid:9)(cid:2)(cid:8)(cid:28)(cid:23)4 (cid:22)(cid:10))! (cid:11)(cid:12) (cid:10)(cid:29)(cid:11)(cid:23)
(cid:19)(cid:16)(cid:30)(cid:3)(cid:11))(cid:2)(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12) (cid:13)(cid:7)(cid:22)(cid:23) (cid:12)(cid:7)(cid:10) (cid:11)(cid:9)(cid:19)(cid:3)(cid:5)4 (cid:22)(cid:15)(cid:22)(cid:12) (cid:11)(cid:12) (cid:10)(cid:29)(cid:22) (cid:2)(cid:30)(cid:23)(cid:22)(cid:12))(cid:22) (cid:7)(cid:21) (cid:2) (cid:23)(cid:19)(cid:22))(cid:11)A) (cid:23)(cid:10)(cid:2)(cid:10)(cid:22)(cid:9)(cid:22)(cid:12)(cid:10)4 (cid:10)(cid:29)(cid:2)(cid:10) (cid:23)(cid:16))(cid:29)
(cid:12)(cid:2)(cid:9)(cid:22)(cid:23)(cid:2)(cid:8)(cid:22)(cid:22)(cid:4)(cid:22)(cid:9)(cid:19)(cid:10)(cid:21)(cid:8)(cid:7)(cid:9)(cid:10)(cid:29)(cid:22)(cid:8)(cid:22)(cid:3)(cid:22)(cid:15)(cid:2)(cid:12)(cid:10)(cid:19)(cid:8)(cid:7)(cid:10)(cid:22))(cid:10)(cid:11)(cid:15)(cid:22)(cid:3)(cid:2)&(cid:23)(cid:2)(cid:12)(cid:13)(cid:8)(cid:22)%(cid:16)(cid:3)(cid:2)(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:12)(cid:23)(cid:2)(cid:12)(cid:13)(cid:10)(cid:29)(cid:22)(cid:8)(cid:22)(cid:21)(cid:7)(cid:8)(cid:22)(cid:21)(cid:8)(cid:22)(cid:22)
(cid:21)(cid:7)(cid:8) %(cid:22)(cid:12)(cid:22)(cid:8)(cid:2)(cid:3) (cid:16)(cid:23)(cid:22)!
(cid:26)(cid:7)(cid:15)(cid:22)(cid:8) (cid:13)(cid:22)(cid:23)(cid:11)%(cid:12)3 2(cid:11)(cid:9) $(cid:11)(cid:3)(cid:28)(cid:11)(cid:22)
(cid:20)(cid:8)(cid:7)G(cid:22))(cid:10) )(cid:7)(cid:19)(cid:5) (cid:22)(cid:13)(cid:11)(cid:10)(cid:7)(cid:8)3 1(cid:11)(cid:28)(cid:22) (cid:18)(cid:29)(cid:2)(cid:8)(cid:13)(cid:3)(cid:7)&
(cid:20)(cid:8)(cid:11)(cid:12)(cid:10)(cid:22)(cid:13) (cid:7)(cid:12) (cid:2))(cid:11)(cid:13)(cid:31)(cid:21)(cid:8)(cid:22)(cid:22) (cid:19)(cid:2)(cid:19)(cid:22)(cid:8)
To Rudolph Minkowski (1895–1976)
Preface
An Astronomical Life – Observing the Depths of the Universe”
Though science as a subject can be difficult, what has been more important
for me is that its practice can also be rewarding fun! This book is crafted to
expose the reader to the excitement of modern observational cosmology through
the study of galaxy evolution over space and cosmic time. Recent extragalactic
research has led to many rapid advances in the field. Even a suitable skeptic of
certain pronouncements about the age and structure of the Universe should be
pleased with the large steps that have been taken in furthering our understanding
of the Universe since the early 1990’s.
My personal involvement in galaxy research goes back to the 1960’s. At that
point, galaxies were easily recognized and partially understood as organized col-
lections of stars and gas. What their masses were presented a problem, which I
supposed would just fade away. But fade it didn’t.
Distant active nuclei and quasars were discovered in the mid-1960’s. A com-
mon view of QSOs was that they have large redshifts, but what use are they for
cosmology or normal galaxy astrophysics? I shared that conclusion. My expecta-
tions fell below their potential utility. In short, the Universe of our expectations
rarely matches the Universe as it is discovered.
One amazing signature of the field’s growth can be easily noticed by the at-
tention given to single wave-band data, often central to extralactic studies. This
approach was a historical legacy of pre-space age astrophysics which bound our
view to primarily to optical wavelengths.
In 1960 galaxian astronomy was confined to the following measures,
1. optical photometry of their starlight,
2. optical spectroscopy for crude population synthesis,
3. optical redshifts,
4. hydrogen-line rotation curves (radio, 21 cm),
5. AGNs had just beeen discovered, but their connection to normal galaxies
was uncertain – and a redshift controversy was emerging.
VIII Preface
By the 1970’s and especially the 1980’s and 1990’s, the radio detections of
active galaxies became mature and accurate; thus identifications for the strong
3CR catalogue sources became practical (and eventually almost routine) despite
the fact that they were associated with very faint galaxies and yielded the highest
redshifts yet probed for any galaxies. False modesty aside, I developed much
improved techniques to enhance the depth of redshift (distance) determinations
for these distant, active galaxies, as seen in their youth (and now we’d note, their
mass accumulation phases).
Since the 1980’s, other wave bands have opened; one now almost routinely
observesaphenomenonfromγ-raysandX-raysthroughtheUVandopticaltoward
thenear-and middle-IR. Partof therapid developmentof understandingwasdue
to instrumental improvement (CCDs were first used at large telescopes in the
’80’s), and part is due to the fact that powerful radio galaxies often show strong,
narrow emission lines due to ionized species of oxygen, carbon and neon plus the
Balmer and Lyman lines from H recombinations. These lines made their atomic
and ionization state identifications, and hence their redshift, straightforwardto
acquire. This effort took astronomers to z (cid:1)2).
Of course, no single scientist can do it all. I was aided by Malcolm Longair,
Simon Lilly, and, a bit later, by Wil van Breugel.
This was a heady time for me, as on good nights using the large ground-based
reflectors,onecouldanticipateredshiftsforafewdistantgalaxiespernight–while
justafewyearsearliertheyieldwouldhavelikelybeenafactorofabout20lower!
Gratification was frequently rapid. My young colleagues, S. (George) Djorgovski
and Patrick McCarthy enjoyed these quick results too.
A logical further step awaited us; to look at normal (as opposed to AGN
and QSOs) at large redshift and thus great distance. This is difficult due to
their faintness. But the rewards are greater; the use of average galaxies at a
younger cosmic age is just the pedestrian comparison we need – high redshift
versus low redshifts nearby (and more easily studied) can provide a measure of
galaxian evolution in cosmic time..
Thisproject,stillongoing,nowrequiresthemostmodernCCDinstrumentation
on the largest telescopes and/or space imaging with the HST. A key to long-term
successistheefficiencyoflocatingdistantgalaxiesfromqualityarealphotometry.
TheHDF(HubbleDeepField),whichIamstudyingwithyoungercolleaguesMark
DickinsonandDanielStern,providesanoptimallychosencorneroftheobservable
universe in which the observing and modeling techniques can be concentrated.
Collaborations that span the world concentrate these techniques and ancillary
ground-based data to understand normal galaxies as they were at a fraction of
the age of the current Universe. With good photometric analysis, the isolation
of galaxy candidates for spectroscopic study can be almost relied-upon; we are
continuing the pioneering selections first well-defined by Chuck Steidel.
Another selection technique that has led to an unexpected discovery must be
mentionedhere. Longspectralintegrationswithanarrowslit-shapedchunkofsky
at high galactic latitude occasionally reveal unanticipated emission lines– some
showingafewlines; someshowingonly one. Thesebecomeunbiased detectionsof
Preface IX
emission line objects, whose redshifts are straightforwardly derived. These faint
galaxy spectra are sometimes dominated by a single line – the resonance line of
hydrogen,Lyαatitsrest-framewavelengthof1216˚A.Insuchcases,spectraoften
show only the single emission line, with their continua lost with the background
noise. Ofcoursealargeredshiftisrequiredtomoveaspectrumfromtherest-frame
ultraviolet to the observable visible wavelengths for ground-based spectroscopy.
We call such discoveries serendipitously located galaxies at high redshifts. They
have since been pleasently abbreviated as “SERs”. I’ve been helped in the areal
coveragebymyrecentcollaborators,CurtManning,SteveDawsonandArjunDey.
How can the chance placement of a spectroscopic slit on the sky resulting in
a discovered Lyα galaxy be a useful technique? The answer appears to be astro-
physically interesting; the surface density of intrinsically faint Lyα line emitting
systems at high redshift must be higher than anticipated from extant surveys at
moderately lower (z ∼ 3) redshifts. These Lyα galaxies appear to be very young
and incredibly small, providing an important constraint on models of structure
formation. These pivotal topics for the future of extragalactic astronomy are dis-
cussed in chapters 3 and 4 of this book.
Overall, this book attempts to combine empirical discoveries and physically-
based theories into a picture of the evolving universe that can be grasped by
attentive fellow seekers. My hope is that it will provide to research professionals,
physics and astronomy students, and active amateurs, a seasoned view of the
observable Universe and it’s principal components, galaxies.
Hyron Spinrad
Berkeley, California, April, 2005
Table of contents
1 Taking the Measure of the Low-Redshift Universe 1
1.1 Local Galaxy Types and their Bulk Properties . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 A Brief Look at the Milky Way Galaxy . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 The Hubble Classification Scheme . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 Morphological Breakdown of Nearby Galaxies . . . . . . . 6
1.1.4 Surface Brightness Distributions . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.5 The Colors of Local Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.6 Distance Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.7 The Luminosity Functions of Local Galaxies . . . . . . . . 10
1.1.8 Gas in Nearby Galaxies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Starbursts and ULIRGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Merger Rates and Merger Signs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 The Nature of AGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1 Seyfert Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.2 Nearby Powerful Radio Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.3 X-ray Bright Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5 Groups, Clusters, and Rich Clusters of Galaxies . . . . . . . . . . 23
1.6 Astronomical Instrumentation at the Millennium . . . . . . . . . 26
1.6.1 Earth-based Optical Telescopes and their
Auxiliary Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.6.2 Radio Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6.3 The Spitzer Space Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.6.4 Telescopes of the Future . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.7 The Role of Large Sky Surveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 Which Properties of Galaxies can Likely Evolve
(and be Measured)? 37
2.1 Galaxy Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Evolution of the Stellar Content of Normal Galaxies . . . . . . . . 41
2.3 Evolution of the Gas Mass Fraction . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4 The Chemical Evolution of Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 The Chemical Evolution of AGN at Moderate Distance . . . . . . 45
2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
XII Table of contents
3 Observations of an Evolving Universe 51
3.1 The Metric Measures of an Evolving Universe . . . . . . . . . . . 51
3.2 What is New in Galaxy Counts? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3 The Sizes and Morphologies of Galaxies at Fairly High Redshift . 57
3.4 Explaining “Building Block” Galaxies at High Redshift . . . . . . 64
3.5 One Small Problem – Resolving Galaxy Bars . . . . . . . . . . . . 66
3.6 Is there Evolution in the Stellar Content of E Galaxies?. . . . . . 68
3.7 Galaxy Clusters – Now, and as they were at Moderate Redshift . 70
3.8 Global Star-formation: Changes from z ≤1 to Here
and Now at z =0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.9 Emission Lines as a Star-formation Proxy, out to z =1 . . . . . . 74
3.10 Abundance Variations at Moderate Redshifts –
Different Targets and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.10.1 Spectroscopy of Star-forming Galaxies,
and their Metallicities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.10.2 AGN Chemical Abundance Evolution . . . . . . . . . . . . 82
3.10.3 The Abundance Evolution of Damped Lyα
Absorption Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.11 QSOs, AGN: Evolution at Large Redshifts . . . . . . . . . . . . . 93
3.12 Measures of Large scale Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.12.1 The Correlation Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.12.2 The Question of Galaxy Biasing . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.13 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4 Galaxies at the Contemporary Limits 113
4.1 Non-traditional Searches for Great Distance . . . . . . . . . . . . 113
4.1.1 Radio Surveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.1.2 Surveys at Energetic Wave-bands . . . . . . . . . . . . . . 115
4.1.3 Millimeter and Sub-millimeter Galaxies at the Limit . . . 116
4.2 Traditional Searches for Distant Objects . . . . . . . . . . . . . . 117
4.2.1 Pre-selections on the Continuum Shape:
Galaxies at z =3 to z =6.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.2.2 Using the Lyα Emission Line to Locate
Extremely Distant Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.3 Narrow-band Detections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.2.4 Distant Galaxies Detected as Lyα “Serendips” . . . . . . . 125
4.3 Record Redshifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.4 QSOs and AGN near the Contemporary Limits . . . . . . . . . . 130
4.5 Galaxy Morphology at High-z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.6 Large scale Structure at High-z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5 Observational Cosmology 141
5.1 The Advent of the Cosmological Constant . . . . . . . . . . . . . 145
5.2 “Dark Energy” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Table of contents XIII
5.3 CMB-derived parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.1 The Curvature of Space:
What Acoustic Oscillations Tell us . . . . . . . . . . . . . 153
5.3.2 The Correspondence between Large-Scale Structure
and P((cid:3)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.3.3 Constraints on Hubble’s Constant and the Age
of the Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.3.4 Detecting Polarized CMB Photons in Acoustic Waves . . . 158
5.3.5 Checking on Big Bang Nucleosynthesis . . . . . . . . . . . 159
5.3.6 An Intriguing Discrepancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.3.7 The Ages of the Oldest Galactic Stars . . . . . . . . . . . 161
5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6 Astronomical Instrumentation of the Future 167
6.1 Of Needs and Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2 New Techniques at the Focal Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2.1 Adaptive Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2.2 Nod and Shuffle: Optimized Background Subtraction . . . 172
6.3 New Tools to Reach Dim and Distant Galaxies. . . . . . . . . . . 173
6.3.1 Giant Optical Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.3.2 Allen Telescope Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.3.3 The Square Kilometre Array . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.3.4 Atacama Large Millimeter Array . . . . . . . . . . . . . . 176
6.3.5 The Spitzer Space Telescope (SIRTF) . . . . . . . . . . . . 178
6.3.6 The James Webb Space Telescope . . . . . . . . . . . . . . 179
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7 Briefly: Some Overall Conclusions and Problems 183
7.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.2 Galaxy Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.3 Proper Sizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.4 SFR and Mergers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.5 The Re-ionization by Stars in Young Galaxies . . . . . . . . . . . 185
7.6 The Re-Ionization State of the Early IGM . . . . . . . . . . . . . 187
7.7 Evolution of QSOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.8 A Concluding Remark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.9 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Index 193
